MOS 电平转换电路故障

bazhonglei

radioes8 发表于 2025-4-20 22:38
& {& A* y8 D( F6 g" f5 e! r5 k看了几遍您的帖子，还是没有看到重点。能详细帮忙解释下吗？
, L( @/ i" i5 u! e2 C; k1.目前看到饱和导通条件，要求VDS 大于(VGS ...

" H/ a' K( z4 G& j) k换个思路！假定MOS管截止，输入为0，那么VS是不是0.6V？那VGS就是1.8-0.6=1.2V，你的手册上VT最大1.1V，是不是很接近？另外你的MOS管显然要工作在开关模式，要工作在左侧和最下面两个区，也就是电阻区和截止区，条件是VG>VT，VDS<VG-VT和VG<VT，而不是你理解的饱和区。至于手册标的有没有水分，脱离开此电路，重新搭电路批量测一下就MOS就行，就测不良的，看看VGS=1.1是否能
4 ]1 V/ A* J& }) w; ?

超級狗

radioes8 发表于 2025-4-20 22:38
% `4 }, B: P/ O( x  q6 w; x4 J看了几遍您的帖子，还是没有看到重点。能详细帮忙解释下吗？
1.目前看到饱和导通条件，要求VDS 大于(VGS ...

狗弟想了一下該怎麼解釋會比較容易懂，咱們就先從臨界電壓（Threshold Voltage）的定義及測試方式開始吧！

9 ?9 o/ K5 v/ i* T1 f: q

V_GS(th) 和 V_DS v.s. I_D 曲線都是用 SMU (Source Meter Unit) 量測的。

MOSFET 臨界電壓（Threshold Voltage）V_GS(th) 定義

V_DS = V_GS 情況下，I_D ≥ 250μA 的 V_GS 電壓。（注意 Datasheet 上面有寫測試條件 V_DS = V_GS。）

  h/ T( P" p' p0 B9 G

臨界電壓（Threshold Voltage）V_GS(th) 的量測方式（僅為舉例說明，實際量測方式看儀器的作法。）；

• V_DS = V_GS = 0.1V，檢查 I_D 電流是否等於或大於 250μA。
• V_DS = V_GS = 0.2V，檢查 I_D 電流是否等於或大於 250μA。
• V_DS = V_GS = 0.3V，檢查 I_D 電流是否等於或大於 250μA。
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…

..

.

參照之前線性區（Linear Region）及飽和區（Saturation Region）附圖，測試就是約略沿著二區域中間那條藍色虛線分界一路測上去。只要你可以找到一個 V_GS 電壓點能讓 I_D ≥ 250μA，你就能宣稱那是臨界電壓（Threshold Voltage）V_GS(th)。由於每顆 MOSFET 單體多少都會有些差異，所以就會得到類似 V_GS(th) = 0.7V ~ 1.1V 這種結果。

超級狗

超級狗 发表于 2025-4-21 11:12
狗弟想了一下該怎麼解釋會比較容易，咱們就先從臨界電壓（Threshold Voltage）的定義及測試方式開始吧！
+ L8 ^, l% B/ o, o2 k ...

/ O" p% c# i* r& v. m6 y3 L# k4 a0 V- d如果有顆 N-Channel MOSFET 的規格宣稱臨界電壓（Threshold Voltage）V_GS(th) = 1.1V，但 Datasheet 中的 V_DS v.s. I_D 曲線，最低卻只有 V_GS = 2.5V，這代表何意？

; i7 i  S2 v& Y, @/ a6 J* `那表示 SMU (Source Meter Unit) 在 V_GS < 2.5V 時，是掃描不出這些曲線的。我們可以了解，在 V_DS 高電壓時不會是問題，因為 V_GS(th) = 1.1V、這個電壓遠低於 2.5V，V_GS = V_DS = 1.1V MOSFET 就會導通了，V_DS 更大不會是問題。問題會出現在 V_DS 低電壓的部分，即虛線左側的線性區（Linear Region）。

, {: s" ], L3 V- J簡單來說 V_GS(th) = 1.1V 僅表示在 V_DS = V_GS = 1.1V 這個點能導通；但不代表 V_DS < 1.1V 時，N-Channel MOSFET 有辦法穩定導通。而 MOSFET 導通時的內阻 R_DS(on) 很小、V_DS ≈ 0V，這個工作點在 V_DS v.s. I_D 曲線中，會非常靠近 X 軸及原點的地方。如果沒有低於 V_GS = 1.8V 對應曲線就意謂著，即便規格是 V_GS(th) = 1.1V，MOSFET 在 V_GS = 1.8V 且 V_DS < 1.8V 的狀況下是無法穩定導通的。




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超級狗

超級狗 发表于 2025-4-20 23:35
7 Z/ e5 A: S7 g  r" T樓主大人：
要詳細寫得花點時間，我找時間再給完整的答覆。但可以給您幾個提示，您先想一下！

1 |5 v4 U# G, b, {. h. O5 H. l1 z( `小弟一開始請樓主比對暗蝦密（On-Semiconductor）NTA4153N 的規格，看能否發現一些差異，現在您再看一次、就會有感覺了！


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! B3 I8 T, ^: ^

再见海贼王

bazhonglei 发表于 2025-4-18 11:37
4 f0 ?. Q; W4 W) Z6 I! e1 L$ B输入为0，由于VGS=0，MOS管截止，但是由于体二极管的存在，导致VS=0.6V，此时VD=0，VG=1.8V，VT=1.1V，VGD> ...

个人觉得，小电流时，二极管压降随电流变化比较明显，不能简单的定义为0.6V；只能说有可能处于饱和区，具体值需要知道MOS管工艺参数假设处在某个区来计算。这种最好实测或者仿真，要不就留大余量。

超級狗

超級狗 发表于 2025-4-21 12:07
如果有顆 N-Channel MOSFET 的規格宣稱臨界電壓（Threshold Voltage）V = 1.1V，但 Datasheet 中的 V v.s ...

+ C. b, @7 |" K( `

案例分享

之前任職過的公司，也有工程師隨便選擇了 AOS (Alpha and Omega Semiconductor) 的某個 N-Channel MOSFET 型號，搭配 2.2KΩ 的 Pull-Up 電阻，用來設計 3.3V to 5V I²C Level Translator 電路。當時也遭遇到無法正常工作的問題，但我們把 Pull-Up 電阻降低至 240Ω 後，這個電路就能動作了。

為什麼 Pull-Up 電阻 ≤ 240Ω 後就能動作了？

因為 MOSFET 沒完全導通，通道電阻 R_DS 很大（不寫 R_DS(on) 是因為 MOSFET 沒完全打開，不能被稱為 On 的狀態。）。但 Pull-Up 電阻降低後，和通道電阻 R_DS 接近了，分壓後會將 V_DS 電壓拉高，此時 N-Channel MOSFET 就有機會進入導通區域了。（僅是有機會，不代表一定會！）

但這個改變會讓電路很耗電，僅建議作為測試或暫時的補救措施。正確的作法還是應該選擇適當規格的 N-Channel MOSFET，或是使用專用的 Level Translator IC。
$ `! q7 U9 m- l4 _7 Z6 y, A- ~

radioes8

超級狗 发表于 2025-4-21 12:07
如果有顆 N-Channel MOSFET 的規格宣稱臨界電壓（Threshold Voltage）V = 1.1V，但 Datasheet 中的 V v.s ...

回复不了，不知道为什么。

超級狗

radioes8 发表于 2025-4-22 23:20
, h7 f% m* _. q" z# ]8 T回复不了，不知道为什么。

樓主大人：
9 T. k! A1 u# D您的標題是寫「故障」，想請教一下。
" a( {. o- ?4 u3 f. |6 ]; t

• 電路一開始是能正常工作，後來才不能動嗎？
• 確認是 MOS 管單體壞了嗎？
  ! Q$ D" a6 z( `. g

( j" \' J3 y, T8 A- S- x& C

超級狗

radioes8 发表于 2025-4-22 23:20
回复不了，不知道为什么。

7 o' y0 a# V: `! B8 s
0 M0 o: U0 @& j( YV_GS v.s. R_DS(on) 曲線不是每家都會提供，暗蝦密（On-Semiconductor）NTA4153N 就沒有，但可以比對虐死批你呀（Nexperia）BSH103 的曲線。
0 V) t; z, ]% o* o( N9 T
% e* k0 b1 Q. D! r+ e9 Y我有點懷疑你貼圖裏面，V_DS v.s. I_D 中那條 V_GS = 1.5V 的線，R_DS(on) 測試是不限制 V_DS 電平的，它是卡導通電流 I_D 。畫得出 I_D 曲線、卻畫不出 R_DS(on) 曲線，令人費解！意思是說，V_DS 低壓的時候 I_D  沒問題 ；但在 V_DS 高壓的時候，R_DS(on) 卻有問題。

你看虐死批你呀（Nexperia）BSH103 的 V_GS v.s. R_DS(on) 曲線，人家就老老實實的畫到 V_GS = 1.4V 左右。從 R_DS(on) 曲線看，感覺您的 MOS 管在  V_GS = 1.8V 時，都還在要開、不開的狀態。（請參考截圖標示的紅色參考線）

另一點是，MOS 管壞掉和電路不會動是兩回事，這點得先釐清！

超級狗

radioes8 发表于 2025-4-22 23:20
# c/ f) M7 k  P" V3 ]- G/ s回复不了，不知道为什么。

小弟也怕自己的觀念有錯，特地去問了人工腦殘。它說樓主這顆 MOS 管，不適合 1.8V 和 3.3V 間的 I²C 電平轉換應用。
8 r- `4 t) f9 X0 b8 m2 |0 q
當小弟再度追問其關鍵原因，它給了下列幾點結論。
/ _8 c  Y% P- h: d# H. t' x% s
人工腦殘結論
) a( D; r0 \) Y# l1 B* Y4 }: _5 j

• V_GS v.s. R_DS(on) 曲線圖顯示， MOS 管在 V_GS = 2V 左右才打開。
• 只要 Datasheet 沒有列出 R_DS(on) @ 1.8V，基本上就不要指望它能在 1.8V 下穩定導通。
  7 J7 k# D4 U& c. r) }
  

其實這就是我和龍大看法相近之處，你至少要敢寫、我才信你！

  C" _% v4 z  T9 }5 p

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2 }* m4 N) D7 v: M5 Y
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huo_xing

超級狗 发表于 2025-4-23 10:35
: n% q" o8 k" p) ]小弟也怕自己的觀念有錯，特地去問了人工腦殘。它說樓主這顆 MOS 管，不適合 1.8V 和 3.3V 間的 IC 電平 ...

狗大，逻辑反了。是没有写的不能相信。写了不一定行。
# s( n0 _6 g2 G* ]手册中有只是我们甩锅的对象，项目找人背锅能证明不是我们问题。
4 z. U' Y8 i0 H4 q( o; A

radioes8

超級狗 发表于 2025-4-23 07:35
樓主大人：
( C: C; Q/ l7 I/ D% v您的標題是寫「故障」，想請教一下。

7 |( e. K3 o7 {产品是使用一段时间之后才故障的，使用之前是好的。管子对照规格书测试相关参数，反馈是OK 的。
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radioes8

超級狗 发表于 2025-04-23 08:46:17
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; h' p7 t. h% I) e7 G# ?/ N6 l


V_GS v.s. R_DS(on) 曲線不是每家都會提供，暗蝦密（On-Semiconductor）NTA4153N 就沒有，但可以比對虐死批你呀（Nexperia）BSH103 的曲線。

我有點懷疑你貼圖裏面，V_DS v.s. I_D 中那條 V_GS = 1.5V 的線，R_DS(on) 測試是不限制 V_DS 電平的，它是卡導通電流 I_D 。畫得出 I_D 曲線、卻畫不出 R_DS(on) 曲線，令人費解！意思是說，V_DS 低壓的時候 I_D  沒問題 ；但在 V_DS 高壓的時候，R_DS(on) 卻有問題。

$ b3 N  w3 o4 X( R; }. @你看虐死批你呀（Nexperia）BSH103 的 V_GS v.s. R_DS(on) 曲線，人家就老老實實的畫到 V_GS = 1.4V 左右。從 R_DS(on) 曲線看，感覺您的 MOS 管在  V_GS = 1.8V 時，都還在要開、不開的狀態。（請參考截圖標示的紅色參考線）
7 g# s' z3 l/ @) T& a
$ T7 v. C4 I) _! y另一點是，MOS 管壞掉和電路不會動是兩回事，這點得先釐清！
% X; O: k9 T+ b+ n
6 s3 d2 U* e9 v& R/ n! r

% E2 P0 R0 B2 Z5 U0 M8 A0 E  q
我好像被限制发言了

( t0 D. |1 S6 E8 V6 @

超級狗

% s5 o4 d% V) G

radioes8：
. m" f* y5 e+ f/ {产品是使用一段时间之后才故障的，使用之前是好的。管子对照规格书测试相关参数，反馈是OK 的。

如果檢查 MOS 管特性是正常的，那有可能是老化、環境...等因素造成參數漂移後產生的異常。

除了狗弟之前降低上拉（Pull-Up）電阻值的經驗外，器件規格也告訴我們，溫度降低、導通電阻 R_DS(on) 也會跟著降低，也可以噴冷凍劑在不良 MOS 管上試試，或吹風機加熱正常的 MOS 管。但這些手段僅是驗證測試，不能作為解決方案。

" t- ]' u% O3 `- y單從供應商的規格來看，他們並不保證 1.8V 下能正常動作，最好能換成虐死批你呀（Nexperia）BSH103。

關於這個電路在 1.8V 應用的風險，小弟在下一貼回您。

僅為個人建議！

7 \& c% B4 z# X# b  C9 l附註：
我查看用戶設定，您並未被限制發言。
  O4 }/ ?7 R7 W7 c4 t- T
1 b! g  v) ]. m

超級狗

. R5 p6 W% z3 d% `" K" R- b

radioes8 发表于 2025-4-23 21:34
产品是使用一段时间之后才故障的，使用之前是好的。管子对照规格书测试相关参数，反馈是OK 的。

4 W" b! a# ~2 `/ B* y* S潛在風險
3 g+ u. H- \1 o' \# L/ T+ l上述討論僅侷限在 N-Channel MOSFET 導通的問題上，這些要求僅能保證電路最基本的正常動作，但大多數人都不會去量測 I²C 的特性。其實在國外的討論網站上，這個電路都只建議使用在 3.3V 和 5V 間的 I²C 電平轉換。然而華人卻很聰明的，把它照抄到 1.8V 和 3.3V 的應用上。

由於 1.8V 已經接近 N-Channel MOSFET 的最低工作電壓了，對於 > 100KHz 的高速應用，上升時間（Rising Time）及下降時間（Falling Time）等特性，有可能會超出 I²C 或其它介面規範要求。大家都本著會動就好的原則，經常會忽略這些問題，在選擇器件規格時又不嚴加把關，所以偶有意外發生也是正常的，設計時宜對訊號進行量測及檢視。

; v+ T% q6 n2 y, C我們之前的經驗是，應用於 1.8V 和 3.3V 的電平轉換，400KHz 之下的上升時間（Rising Time）及下降時間（Falling Time）會非常接近 I²C 規範要求，記得餘量 < 10ns。這個測試結果對於小米或華為這類的大客戶，可能就會提出質疑了。
7 p# C. n3 M% o( n. w+ ]

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